壓電式人體能量收集技術的研究現狀

陳馳　劉進超

摘 要

針對人體的能量分布以及可利用的潛力，詳細介紹了人體呼吸、血壓、肢體運動所蘊含的能量，并從裝置設計、綜合性能以及實驗結果等方面系統地綜述了當前國內外利用正壓電效應采集人體能量的主要研究成果，最后對壓電式人體能量收集的后續研究和發展方向提出了展望。

關鍵詞

壓電式;人體能量;能量收集

中圖分類號： TM919 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.04.09

0 引言

人體具有源源不斷的充沛能量，目前對人體能量收集的方式主要有壓電式、靜電式和電磁式，其中壓電式具有結構簡單、輸出功率密度大、易于加工制作等優點，成為近20年來的熱點研究問題。在此，從能量來源、裝置設計、采集電路和實驗結果等方面系統地綜述當前國內外壓電式采集人體各個部位能量的主要研究成果，并對后續研究和發展方向提出展望。

1 壓電發電原理

壓電發電原理主要應用到了壓電材料的正壓電效應，當壓電材料受到外機械力作用時，壓電材料內部會出現電荷不對稱分布的現象，從而在其表面會有符號相反電荷的產生，其產生的電荷密度與受到的外機械力成正比。壓電式人體能量收集技術就是利用壓電材料的正壓電效應來收集低頻的人體能量。

2 壓電式人體能量收集的研究現狀

早在1984年， Hausler[1]將PVDF壓電薄膜固定在狗的肋骨上，收集狗在呼吸時肋骨伸張運動所產生的能量，研究結果表明，狗在自然呼吸時，可產生18V的輸出電壓，輸出功率約為17。優化PVDF壓電換能器形狀，使之更加貼合狗的肋骨，最終測試發現，壓電換能器輸出能量能夠達到1左右。1996年， Thad Starner[2]利用壓電陶瓷來收集人們在開、合筆記本電腦時產生的能量，欲以驅動筆記本電腦工作。通過這兩項研究開始了利用正壓電效應收集人體各個部位能量的研究領域。

2.1 壓電式人體足底能量收集

人體在行走過程中，足底沖擊地面產生的能量很大，所以在對人體能量收集的眾多方案中，足底是研究人員關注的焦點。1998年，美國麻省理工（MIT）多媒體實驗室Kymissis等[3]為了收集人體在行走時足底產生的能量，將PZT（壓電陶瓷）和PVDF（聚偏二氟乙烯）薄膜分別安裝在運動鞋的腳后跟和前腳掌處，如圖1（a）所示。前腳掌處采用2mm厚的六邊形的柔性塑料基底兩邊各粘貼8層28的PVDF，工作模式為，收集人體行走時，前腳掌彎曲產生的能量;腳后跟處采用粘貼在彎曲彈簧鋼上的5×5×0.038cm的PZT，收集人體行走時，腳跟沖擊地面的能量。在外接250負載、1Hz行走頻率的條件下，PVDF輸出峰值功率約為20，平均功率為1.1，PZT的輸出峰值功率約為80，平均功率1.8。隨后，該實驗室的Shenck等[4]改進了腳跟處俘能器的結構，如圖2（b）所示，在彎曲的不銹鋼上背對背粘貼兩個PZT單晶片，在外接500k負載、0.9Hz行走頻率的條件下，平均輸出功率為8.4。

2013年，Daniels等[5]設計了一種矩形屈伸的能量收集器，如圖2（c）所示，從人體行走中，腳與地面之間的相對運動中收集能量。撓性端蓋一方面擴大了向下施加的力，另一方面保護了壓電元件免受沖擊。收集器被放置在靴底中，在1.4Hz運動頻率、760N的沖擊下，壓電鞋產生2.5的平均功率，并能夠獨立地為無線傳感器模塊供電。

2014年，Rich Meier等[6]設計了一種集成在傳統鞋子中的壓電能量收集系統，如圖2（a）所示，通過收集足底沖擊地面產生的能量，用以驅動人體足底六個位置的壓力傳感器，來反映神經性系統疾病患者的健康狀況。系統的實驗結果表明，一個身高180cm、體重90.7kg的男性使用者，平均每一步可捕獲10-20的能量，所收集的能量足以驅動壓力傳感器正常工作。

同年，Zhao等[7]開發了一款PVDF內嵌式壓電能量收集鞋，如圖2（b）所示。在設計中，為了獲得高輸出功率，將8層PVDF壓電薄膜堆疊在一起，并將它們夾在兩個波浪形表面之間，如圖3所示，將堆疊的PVDF壓電薄膜固定在下板的兩端，上板利用腳的沖擊被激勵，上板向下移動，PVDF薄膜被拉伸并貼合在波浪形表面。在1Hz的步行頻率下，該壓電鞋可產生峰值電壓136V，峰值功率為4，平均功率為1。

2.2 壓電式人體胸部能量收集

Manisha等[8]開發設計了一種壓電式肺活量計，在不干擾肺參數測量的前提下，使用PVDF（聚偏二氟乙烯）壓電薄膜對呼氣時產生的能量進行收集。實驗采用校準的注射器模擬人體呼吸的動作，在管徑40mm時的輸出電壓最大，達到1.1V。此外，實驗還對不同身高、體重、年齡和性別的各個對象進行測量，實驗結果表明身高、年齡與輸出電壓成正相關，體重對輸出影響較小，男性參與者呼氣時平均可產生1.3V的輸出電壓，女性參與者平均可產生0.7V的輸出電壓。

Hamid等[9]設計了一種基于人體呼吸運動的能量收集系統，該系統由改進的腰帶、壓電薄膜陣列和集成電路組成。在不影響正常呼吸的前提下，安全且便捷地對人體呼吸時腹部運動產生的能量進行收集。實驗和模擬結果表明，使用10層的壓電薄膜陣列制成的腰帶，平均可輸出1.5的功率。

2.3 壓電式人體心臟跳動能量收集

2014年，Dagdeviren等[10]提出一種基于應變的能量采集器，如圖4（a、b）所示，用以收集心臟收縮和舒張產生的能量。將厚度500nm的PZT帶夾在兩金屬電極之間，固定在柔性的PI（聚酰亞胺）襯底上，并用生物相容性材料封裝起來，能量收集器中還集成了橋式整流器和毫米級的電池，用以采集和存儲能量。柔性的能量收集器固定在牛和綿羊心臟的心室表面，其產生的最大開路電壓為4-5V，使用多層堆疊結構，其最大功率密度可以達到1.2。

同年，Hwang等[11]設計了一種基于單晶PMN-PT壓電薄膜的心臟能量收集器，如圖4（c、d）所示，用以實現人體心臟起搏器的自供電工作。柔性的PMN-PT壓電薄膜在手指周期性的彎曲下，產生的電流和電壓分別為145和8.2V，通過手指敲擊時會產生最高的電流輸出是223，產生的電能成功地點亮50個LED燈。最后在進行的活鼠實驗中，成功對其心肌實施實時功能性電刺激。2017年，該課題組在豬的體內進行了相關實驗，測得柔性的能量收集器的短路電路為1.75和開路電壓為17.8V。

（a）堆疊式的能量采集器（b）收集綿羊心臟能量

（c）PMN-PT壓電薄膜（d）活鼠電刺激實驗

2.4 壓電式人體腿部能量收集

Pozzi等[12]設計了一種壓電式人體腿部運動能量收集裝置，如圖5（a）所示，利用人體步行時小腿的擺動，來收集腿部產生的能量。能量收集裝置主要由轉子、定子、撥片和壓電懸臂梁組成，將其安裝在人體腿部膝關節處，步行時，利用小腿的擺動帶動撥片，從而驅動壓電懸臂梁收集能量。實驗結果表明，在人體背上24kg負載時，可以平均產生2.06的輸出電能。

Wei S等[13]設計了一種壓電碰撞振動能量收集器，如圖5（b、c）所示，利用人體行走過程中，腳踝處彎曲產生的能量。能量收集裝置主要由圓柱滑塊和壓電梁組成，在行走過程中，圓柱滑塊上多個凸起的圓弧面會碰撞壓電懸臂梁，致使壓電懸臂梁彎曲產生電能。實驗結果表明，步行頻率5，外接20負載電阻時，可輸出51的平均功率。

（a）膝關節能量收集器結構示意圖

（b）碰撞能量收集器零件（c）碰撞能量收集器

2.5 壓電式人體其他部位能量收集

2007年，Jonathan等[14]開發出一種新型的壓電背包，將傳統的背包帶替換成由PVDF壓電薄膜制成的背帶，實驗測得在背帶承受444N載荷時，每個52厚壓電肩帶（一共四個）的最大瞬時輸出功率為0.345W，平均功率為45.6。

2018年，Richard Fan等[15]設計了一種固定在下頜骨上的壓電能量收集器，并設計了一種下頜加載設備，來模擬人體咀嚼過程中施加在下頜骨上的力。實驗測得開路峰值電壓可達1.2V，該研究的結果對利用人體下頜骨產生的能量為深層腦部刺激系統供電提供新的見解。

3 發展趨勢

壓電式人體能量收集系統的主要發展趨勢將集中在以下幾個方面：（1）俘能裝置與紡織品進行結合，盡可能小的影響人體運動的前提下，完成對人體能量的收集;（2）設計出高效率、低功耗的能量采集電路以及存儲電路，從而提高俘能系統的輸出;（3）實現智能可穿戴設備健康監測系統的自供電。

參考文獻

[1]Hausler E， stein E， Implantable Physiological Power Supply with PVDF Film[J]. Ferroelectrics， 1984， 60， 277-282.

[2]Starner T. Human-powered wearable computing [J]. IBM Systems Journal ，1996，35（3/4）：618-629.

[3]John Kymissis， Clyde Kendall， Joseph Paradiso， Neil Gershenfeld， Parasitic Power Harvesting in Shoes， the Second IEEE Internetional Conference on Wearable Computing[J]. IEEE Computer Societu Press， 1999， 132-139.

[4]N. Shenck and J. Paradiso. Energy scavenging with shoe-mounted piezoelectrics[J]. IEEE Micro， May-June， 2001， vol. 21： 30-42.

[5]Daniels A， Zhu M， Tiwari A. Design， analysis and testing of a piezoelectric flex transducer for harvesting bio-kinetic energy[J]. Journal of Physics： Conference Series， 2013， 476：012047.

[6]Meier R， Kelly N， Almog O， et al. A piezoelectric energy-harvesting shoe system for podiatric sensing[J]. Conference proceedings. Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. Conference， 2014， 2014：622-625.

[7]Zhao， J， and You， Z. A shoe embedded piezoelectric energy harvester for wearable sensors[J]. Sensors 14， 2014， 12497–12510.

[8]Manisha Rajesh Mhetre， Hemant Keshav Abhyankar. Human exhaled air energy harvesting with specific reference to PVDF film[J]. Engineering Science and Technology， 2016， 6，411-037.

[9]Hamid Abdi， Navid Mohajer. Journal of Intelligent Material System and Structures[J]. 2014， 25： 923.

[10]Dagdeviren， C.， Yang， B.D.， Su， Y.， Tran， P.L.， Joe， P.， Anderson， E.， Xia， J.， et al. （2014）. Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart， lung， and diaphragm. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111， 1927–1932.

[11]Geon-Tae Hwang， Keon Jae Lee. Self-powered flexible inorganic electronic system[J]. Nano Energy， 2015， 5（14）： 111-125.

[12]Pozzi M， Zhu M. Plucked piezoelectric bimorphs for knee-joint energy harvesting modeling and experimental validation[J]. Smart Materials and Structures， 2011， 20（5）： 55007-55016.

[13]Wei S， Hu H， He S. Modeling and experimental investigation of an impact-driven piezoelectric energy harvesting from human motion[J]. Smart Materials and Structures， 2013， 22（10）： 105020.

[14]Jonathan Granstrom1， Joel Feenstra1.Energy harvesting from a backpack instrumented with piezoelectric shoulder straps[J]. Smart Materials AND Structures.16 （2007） 1810–1820.

Granstrom J， Feenstra J， Sodano H A， et al. Energy harvesting from a backpack instrumented with piezoelectric shoulder straps[J]. Smart Materials & Structures， 2007， 16（5）：1810.